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Linux系统调用及用户编程接口API分析
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2017-10-18
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在搭建起嵌入式开发环境之后，从本章开始，读者将真正开始学习嵌入式Linux的应用开发。由于嵌入式Linux是经Linux裁减而来的，它的系统调用及用户编程接口API与Linux基本是一致的，因此，在以后的章节中，笔者将首先介绍Linux中相关内容的基本编程开发，主要讲解与嵌入式Linux中一致的部分，然后再将程序移植到嵌入式的开发板上运行。因此，没有开发板的读者也可以先在Linux上开发相关应用程序，这对以后进入嵌入式Linux的实际开发是十分有帮助的。本章主要讲解文件I/O相关开发，经过本章的学习，读者将会掌握以下内容。
6.1 Linux系统调用及用户编程接口（API）
由于本章是讲解Linux编程开发的第1章，因此希望读者更加明确Linux系统调用和用户编程接口（API）的概念。在了解了这些之后，会对Linux以及Linux的应用编程有更深入的理解。
6.1.1 系统调用
所谓系统调用是指操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口，用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统内核提供的服务。例如用户可以通过进程控制相关的系统调用来创建进程、实现进程调度、进程管理等。
在这里，为什么用户程序不能直接访问系统内核提供的服务呢？这是由于在Linux中，为了更好地保护内核空间，将程序的运行空间分为内核空间和用户空间（也就是常称的内核态和用户态），它们分别运行在不同的级别上，在逻辑上是相互隔离的。因此，用户进程在通常情况下不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，它们只能在用户空间操作用户数据，调用用户空间的函数。
但是，在有些情况下，用户空间的进程需要获得一定的系统服务（调用内核空间程序），这时操作系统就必须利用系统提供给用户的“特殊接口”——系统调用规定用户进程进入内核空间的具体位置。进行系统调用时，程序运行空间需要从用户空间进入内核空间，处理完后再返回用户空间。
Linux系统调用部分是非常精简的系统调用（只有250个左右），它继承了UNIX系统调用中最基本和最有用的部分。这些系统调用按照功能逻辑大致可分为进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、存储管理、网络管理、socket控制、用户管理等几类。
6.1.2 用户编程接口（API）
前面讲到的系统调用并不是直接与程序员进行交互的，它仅仅是一个通过软中断机制向内核提交请求，以获取内核服务的接口。在实际使用中程序员调用的通常是用户编程接口——API，也就是本书后面要讲到的API函数。但并不是所有的函数都一一对应一个系统调用，有时，一个API函数会需要几个系统调用来共同完成函数的功能，甚至还有一些API函数不需要调用相应的系统调用（因此它所完成的不是内核提供的服务）。
在Linux中，用户编程接口（API）遵循了在UNIX中最流行的应用编程界面标准——POSIX标准。POSIX标准是由IEEE和ISO/IEC共同开发的标准系统。该标准基于当时现有的UNIX实践和经验，描述了操作系统的系统调用编程接口（实际上就是API），用于保证应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统上移植运行。这些系统调用编程接口主要是通过C库（libc）实现的。
6.1.3 系统命令
以上讲解了系统调用、用户编程接口（API）的概念，分析了它们之间的相互关系，那么，读者在第2章中学到的那么多的Shell系统命令与它们之间又是怎样的关系呢？
系统命令相对API更高了一层，它实际上是一个可执行程序，它的内部引用了用户编程接口（API）来实现相应的功能。它们之间的关系如图6.1所示。
图6.1 系统调用、API及系统命令之间的关系
6.1 Linux系统调用及用户编程接口（API）
由于本章是讲解Linux编程开发的第1章，因此希望读者更加明确Linux系统调用和用户编程接口（API）的概念。在了解了这些之后，会对Linux以及Linux的应用编程有更深入的理解。
6.1.1 系统调用
所谓系统调用是指操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口，用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统内核提供的服务。例如用户可以通过进程控制相关的系统调用来创建进程、实现进程调度、进程管理等。
在这里，为什么用户程序不能直接访问系统内核提供的服务呢？这是由于在Linux中，为了更好地保护内核空间，将程序的运行空间分为内核空间和用户空间（也就是常称的内核态和用户态），它们分别运行在不同的级别上，在逻辑上是相互隔离的。因此，用户进程在通常情况下不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，它们只能在用户空间操作用户数据，调用用户空间的函数。
但是，在有些情况下，用户空间的进程需要获得一定的系统服务（调用内核空间程序），这时操作系统就必须利用系统提供给用户的“特殊接口”——系统调用规定用户进程进入内核空间的具体位置。进行系统调用时，程序运行空间需要从用户空间进入内核空间，处理完后再返回用户空间。
Linux系统调用部分是非常精简的系统调用（只有250个左右），它继承了UNIX系统调用中最基本和最有用的部分。这些系统调用按照功能逻辑大致可分为进程控制、进程间通信、文件系统控制、系统控制、存储管理、网络管理、socket控制、用户管理等几类。
6.1.2 用户编程接口（API）
前面讲到的系统调用并不是直接与程序员进行交互的，它仅仅是一个通过软中断机制向内核提交请求，以获取内核服务的接口。在实际使用中程序员调用的通常是用户编程接口——API，也就是本书后面要讲到的API函数。但并不是所有的函数都一一对应一个系统调用，有时，一个API函数会需要几个系统调用来共同完成函数的功能，甚至还有一些API函数不需要调用相应的系统调用（因此它所完成的不是内核提供的服务）。
在Linux中，用户编程接口（API）遵循了在UNIX中最流行的应用编程界面标准——POSIX标准。POSIX标准是由IEEE和ISO/IEC共同开发的标准系统。该标准基于当时现有的UNIX实践和经验，描述了操作系统的系统调用编程接口（实际上就是API），用于保证应用程序可以在源代码一级上在多种操作系统上移植运行。这些系统调用编程接口主要是通过C库（libc）实现的。
6.1.3 系统命令
以上讲解了系统调用、用户编程接口（API）的概念，分析了它们之间的相互关系，那么，读者在第2章中学到的那么多的Shell系统命令与它们之间又是怎样的关系呢？
系统命令相对API更高了一层，它实际上是一个可执行程序，它的内部引用了用户编程接口（API）来实现相应的功能。它们之间的关系如图6.1所示。
图6.1 系统调用、API及系统命令之间的关系
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